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UMSA Facultad de Tecnología Electrónica y Telecomunicaciones Pre-Informe Nº 1 Titulo:

Construcción de Cargas de Pruebas

Nombre:

Miguel Ángel Huarina Marín

COSNTRUCCION DE CARGAS DE PRUEBAS 1. OBJETIVOS. a) GENERALES El objetivo del presente laboratorio es el de construir una carga anti inductiva de pruebas para la medida de potencias en Radio Frecuencia. b) ESPECIFICOS Para realizar el ajuste y calibrado de transmisores, se necesita, una carga anti inductiva de 50 Ω que soporte una determinada potencia dependiendo del equipo. Esta carga se conectará a la salida del equipo para simular la antena. En el presente laboratorio se construirá una carga que soporte hasta 20 W de potencia en el rango de frecuencia VHF y que se puede utilizar a una frecuencia máxima de 500 MHz, lo cual es suficiente para revisar la mayoría de nuestros desarrollos. Estudiar los patrones de las señales en una línea de transmisión de 50 Ohms para las siguientes cargas: SHORT, OPEN, Zo, Zo/2, 2Zo, 3/2Zo, 4Zo Ohms, etc. 2. MARCO TEORICO. El circuito consta esencialmente de 2 partes a saber: la resistencia de 50 Ω anti inductiva y la línea de transmisión que respeta esta impedancia. Las resistencias, que están montadas sobre las línea de transmisión, están todas en paralelo, por lo que debemos aplicar las siguientes formulas para calcular su valor:

RT 

1 1 1 1   ...  R1 R2 RN

PDT [ W]  PR1  PR2  ...  PRN Para hacer las cosas mas simples usaremos todas las resistencias de igual valor y que disipen 2 W. De este modo, los 20 W se van a distribuir equitativamente en cada resistencia (debido a que todas las resistencias son de igual valor). Con estas condiciones y utilizando la formula 2, concluimos en que necesitamos 10 resistencias. Para calcular el valor de cada resistencia, sabemos que la resistencia total es de 50 Ω.

Reemplazando en 1:

Luego:

50=1/(1/R1 + 1/R2 +… + 1/R10) donde R1 = R2 =… = R10 50=1(10/R) → R = 50 x 10 =500 Ω

En un sistema de transmisión es muy importante tener un adecuado acople de impedancia a el transmisor, la línea de transmisión, y la carga de prueba debe tener la misma impedancia para que exista máxima transferencia de potencia. ROE (Relación Onda Estacionaria): Relación entre la potencia transmitida y la reflejada por la antena. Parámetro que indica el grado de adaptación entre la antena y el equipo. En inglés VSWR. Cuando ZO = ZL, la carga absorbe toda la potencia incidente, esto se llama línea acoplada. Cuando ZO ≠ ZL parte de la potencia incidente es absorbida por la carga y parte se regresa (refleja) a la fuente, esto se llama la línea sin acoplar o desacoplada. Con una línea desacoplada, hay dos ondas electromagnéticas que viajan en direcciones opuestas y están presentes en la línea todo el tiempo (estas ondas, de hecho, se llaman ondas viajeras). Las dos ondas viajeras establecen un patrón de interferencia conocido como onda estacionaria.

3. MATERIALES Y EQUIPOS. a. HERRAMIENTAS  Alicates y Destornilladores  Soldador (cautín)  Soldadura y pasta parea soldar b. INSTRUMENTOS  Watimetro de VHF/50W max. En el rango de 140 MHz a 180 MHz  Transceptor de VHF, 20 W (Transmisor de RF) c. COMPONENTES  Conector PL-259 (VHF) hembra  Resistores para carga fantasma (50 Ω de 2w o más de carbón)  Carga fantasmas de 25 Ω, 100 Ω y 1 KΩ, (Zo, Zo/2, 2Zo, 3/2Zo, 4Zo) (necesariamente de carbón) 4. CUESTIONARIO. 1. Investigar la relación de medida de niveles de potencia (Decibelio) y sus unidades derivadas Se denomina decibelio a la unidad empleada en Acústica y Telecomunicación para expresar la relación entre dos potencias, acústicas o eléctricas. El decibelio, símbolo dB, es una unidad logarítmica y es la décima parte del belio, que sería realmente la unidad, pero que no se utiliza por ser demasiado grande en la práctica. El belio recibió este nombre en honor de Alexander Graham Bell, tradicionalmente considerado como inventor del teléfono El dB relaciona la potencia de entrada y la potencia de salida en un circuito, a través de la fórmula:

P(dB)  10 log

Pout Pin

Se puede usar para medir ganancia o atenuación (una ganancia negativa significa atenuación). Por ejemplo, una ganancia de 3dB significa que la potencia de salida será el doble de la de entrada.

G(dB)  10 log

Pout Pin

At(dB)  10 log

Pin Pout

Se utiliza una escala logarítmica porque la sensibilidad que presenta el oído humano a las variaciones de intensidad sonora sigue una escala aproximadamente logarítmica, no lineal. Por ello el belio y su submúltiplo el decibelio, resultan adecuados para valorar la percepción de los sonidos por un oyente. El decibelio es quiza la unidad más utilizada en el campo de las Telecomunicaciones por la simplificación que su naturaleza logarítmica posibilita a la hora de efectuar cálculos con valores de potencia de la señal muy pequeños. Como relación de potencias que es, la cifra en decibelios no indica nunca el valor absoluto de las dos potencias comparadas, sino la relación entre ellas. Esto permite, por ejemplo, expresar en decibelios la ganancia de un amplificador o la pérdida de un atenuador sin necesidad de referirse a la potencia de entrada que, en cada momento, se les esté aplicando. Las principales unidades derivadas del decibelio son el dbm, dBw y el dBk. Cabe resaltar que existen otras unidades derivadas, pero las más importantes son las mencionadas, las cuales están dadas por las siguientes relaciones:

P(dBm)  10 log

P( w ) 1m( w )

P(dBw )  10 log

P( w ) 1( w )

P(dBK )  10 log

P( w ) 1K( w )

2. Qué es un watimetro de RF y que características tienen El watimetro es un instrumento que realiza solo las funciones combinadas del amperímetro y voltímetro y señala directamente la potencia. Desde un punto de visto más amplio, el vatímetro es un instrumento electrodinámico para medir la potencia eléctrica o la tasa de suministro de energía eléctrica de un circuito eléctrico dado. El dispositivo consiste en un par de bobinas fijas, llamadas “bobinas de corriente”, y una bobina móvil llamada “bobina de potencial”. Las bobinas fijas se conectan en serie con el circuito, mientras la móvil se conecta en paralelo. Además, en los vatímetros analógicos la bobina móvil tiene una aguja que se mueve sobre una escala para indicar la potencia medida. Una corriente que circule por las bobinas fijas genera un campo electromagnético cuya potencia es proporcional a la corriente y está en fase con ella. La bobina móvil tiene, por regla general, una resistencia grande conectada en serie para reducir la corriente que circula por ella. El resultado de esta disposición es que en un circuito de corriente continua, la deflexión de la aguja es proporcional tanto a la corriente como al voltaje, conforme a la ecuación W=VA o P=EI. En un circuito de corriente alterna la deflexión es proporcional al producto instantáneo medio del voltaje y la corriente, midiendo pues la potencia real y posiblemente (dependiendo de las características de cargo) mostrando una lectura diferente a la obtenida multiplicando simplemente las lecturas arrojadas por un voltímetro y un amperímetro independientes en el mismo circuito. Los dos circuitos de un vatímetro son propensos a resultar dañados por una corriente excesiva. Tanto los amperímetros como los voltímetros son vulnerables al recalentamiento: en caso de una sobrecarga, sus agujas pueden quedar fuera de escala; pero en un vatímetro

el circuito de corriente, el de potencial o ambos pueden recalentarse sin que la aguja alcance el extremo de la escala. Esto se debe a que su posición depende del factor de potencia, el voltaje y la corriente. Así, un circuito con un factor de potencia bajo dará una lectura baja en el vatímetro, incluso aunque ambos de sus circuitos esté cargados al borde de su límite de seguridad. Por tanto, un vatímetro no sólo se clasifica en vatios, sino también en voltios y amperios. Las principales características de un watimetro estándar son:  El vatímetro está provisto de cuatro bornes, dos correspondientes al amperímetro y dos al voltímetro.  Frecuencia: 30 – 500 MH ó 30 - 1000 MHZ.  Potencia: 5 - 80 W  Exactitud: +/- 5% de potencia a plena escala.  Circuito de salida: Coaxial, 50 de trabajo.  Tipo de Modulación: CW, AM, FM ó señales de tipo Televisión. No está diseñado para uso en pulso de potencia similar al radar. Igual ocurre con el Thruline o vatímetro de inserción.  Se puede utilizar para medir potencia de RF desde cualquier fuente dentro de su rango.  Se puede utilizar como carga fantasma (Dummy) de 50 hasta 80 W de potencia. 3. Investigue sobre los tipos de watimetro de RF que existen y en que rangos de frecuencia trabajan Existen dos tipos de watimetros, que son:  Digital: Señalado mediante un cristal líquido.  Analógico: Trabaja a partir de la deflexión de una aguja. La inclinación del vatímetro analógico depende tanto de la corriente como del voltaje y puede calibrarse directamente en vatios. Por otro lado se tienen los vatímetros electrónicos, que se usan para medidas de potencias directas y pequeñas o para medidas de potencia a frecuencias por encima del rango de los instrumentos de tipo electrodinamómetro. Los tríodos acoplados se operan en la porción no lineal de sus curvas características al voltaje de red y la corriente de placa. El rango de frecuencia de un vatímetro electrónico puede extenderse hasta los 20 megahercios usando tubos de pentodos en lugar de tríodos. Las condiciones de operación de un pentodo se ajustan de forma que la corriente de placa sea proporcional al producto de una función linear del voltaje de placa y a una función exponencial del voltaje de red. 4. Qué es una carga fantasma e investigar las características de una carga fantasma Una carga fantasma, carga artificial, antena fantasma, dummy load todos sinónimos, se refieren a un elemento conectado en lugar de una antena para prueba y ajuste de

transmisores, de tal manera que no se producen interferencias innecesarias durante los ajustes. Si un transmisor se prueba sin una carga, una antena o una carga artificial, puede resultar dañado. También, si un transmisor se ajusta sin estar conectado a una carga, funcionará de forma diferente cuando se conecte a la antena y los ajustes realizados serán incorrectos. La antena o "carga" fantasma tiene que ser capaz de absorber la potencia del transmisor (convirtiéndola íntegramente en calor) durante un período razonable sin dañarse ni variar sus características. El artefacto debe estar convenientemente blindado para que la carga no irradie energía en la frecuencia que se la está utilizando ya que el calor al igual que la luz es también una radiación de energía electromagnética. Las principales características de la carga fantasma son:  Una antena fantasma debe ser una resistencia pura, del mismo valor que la impedancia de salida del transmisor, normalmente 50 ohmios.  La energía de radiofrecuencia disipada por la carga se transforma en calor, por lo que esta carga debe ser capaz de disipar toda la potencia que sea capaz de entregar el transmisor.  Una carga fantasma ideal debe dar una Relación de Ondas Estacionarias de 1:1.  Este tipo de carga debe ser anti inductiva, es decir, necesariamente de carbón.  Comercialmente, se tienen cargas fantasmas para baja potencia, potencia media y alta potencia.  Una buena carga no presenta reactancia en las frecuencias para la cual está previsto utilizarla. Un método poco recomendable para la prueba de transmisores, es la utilización de lámparas de alumbrado como carga artificial. El filamento de las lámparas puede presentar una cierta reactancia inductiva debido a su construcción en espiral. Por otra parte, su resistencia varía con la temperatura, por lo que la impedancia que se presenta al transmisor no es constante. 5. Cuál es la razón por la cual una carga artificial debe ser anti inductiva Una carga artificial debería estar construida por una resistencia de 50 ohmios anti inductiva y capaz de disipar la potencia del transmisor bajo prueba. Estas resistencias son caras y difíciles de encontrar, por lo que se recurre a conectar en paralelo un cierto número de resistencias comunes, hasta obtener la impedancia y disipación requeridas. Como ya se ha indicado, este tipo de cargas utilizan resistencias especiales anti inductivas, que son caras y no se encuentran con facilidad, por lo que para su construcción, utilizaremos un conjunto de resistencias comunes, de una disipación de 2 vatios y en número suficiente para obtener la disipación requerida. Su esquema eléctrico es el siguiente:

6. Qué es la relación de ondas estacionarias ROE (SWR) La relación de onda estacionaria (SWR), se define como la relación del voltaje máximo con el voltaje mínimo, o de la corriente máxima con la corriente mínima de una onda. A ello también se llama relación de voltajes de onda estacionaria. (VSWR). En esencia es una medida de la falta de compensación entre la impedancia de carga y la impedancia característica de la línea de transmisión. Los máximos de voltaje (Vmax) se presentan cuando las ondas incidentes y reflejadas están en fase (es decir, sus máximos pasan por el mismo punto de la línea, con la misma polaridad) y los mínimos de voltaje (Vmin) se presentan cuando las ondas incidentes y reflejadas están desfasadas 180º. Esta dada por las igualdades matemáticas:

ROE 

1 R 1 R

R

ROE 

Potencia Re flejada PotenciaIn cidente

V max V min

7. Qué es la potencia incidente y qué es onda reflejada En una línea de transmisión ordinaria, la potencia puede propagarse en ambas direcciones, de forma similar existen voltajes y corrientes incidentes y reflejadas. Siendo la potencia reflejada la porción de la potencia incidente (que no es absorbida por la carga), por lo tanto la potencia incidente siempre es menor o igual a la reflejada.

Físicamente, una onda reflejada es aquella que aparece cuando una onda encuentra una superficie de separación de dos medios diferentes, que se aleja de la superficie en el mismo medio que la onda incidente y que es interpretable por la óptica geométrica. Gráficamente:

8. A consecuencia de que factores se produce la onda reflejada La onda reflejada está asociada con una onda incidente en una puerta de una red eléctrica o en una discontinuidad de una línea de transmisión, y que se propaga en sentido inverso a la onda incidente a partir de este punto. Es decir, esta llega a suscitarse cuando una onda incidente sufre un cambio de dirección a través de factores físicos naturales o artificiales, dando lugar a una nueva onda derivada de una onda incidente. 9. Qué efectos produce la onda reflejada en un sistema de transmisión El principal efecto es la disminución en la potencia entregada a la carga. Es común que se deba conectar una carga a una línea de impedancia característica diferente. En tal caso existirá una onda reflejada que disminuye la potencia entregada a la carga y puede tener efectos adversos en el generador, como por ejemplo, crear sobretensiones y sobrecorrientes sobre la línea capaces de causar daños, etc. Para evitar estas situaciones problemáticas existen distintos mecanismos de adaptación entre la línea y la carga. 10. Qué es acoplamiento de impedancias Es la unión de dos impedancias diferentes, para que haya transferencia de uno a otra. La eficaz transferencia de potencia de una etapa a otra se logra cuando las impedancias de ambas etapas se acoplen o iguales.

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 se conecta. Esto con el fin de conseguir la máxima transferencia de potencia y aminorar las pérdidas de potencia por reflexiones desde la carga. Este sólo aplica cuando ambos dispositivos son lineales. A veces en los circuitos eléctricos, se necesita encontrar la máxima transferencia de voltaje en vez de la máxima transferencia de potencia. En este caso lo que se requiere es encontrar el valor de impedancia donde la impedancia de carga sea mucho más grande que la impedancia de la fuente. El concepto de emparejar la impedancia se desarrolló originalmente para la potencia eléctrica, pero fue generalizado a otros campos de la ingeniería donde cualquier forma de energía (no solamente la eléctrica) es transferida entre una fuente y una carga. 11. En que influye la carga al final de una línea de transmisión Las líneas de transmisión reales no se extienden hasta el infinito, tienen una longitud definida. Cuando están en uso, están conectadas a (terminadas en) una carga, como se ilustra en la figura. Si la carga es una resistencia pura cuyo valor iguala la impedancia característica de la línea, se dice que la línea está "acoplada". Para la corriente que viaja a lo largo de la línea, dicha carga al final de la línea actúa como si fuera todavía una extensión de la línea de la misma impedancia característica. En una línea de transmisión acoplada, la energía viaja a lo largo de la línea hacia afuera hasta que alcanza la carga, donde es absorbida completamente.

IMPEDANCIA DEL CONDUCTOR

CARGA

Supongamos ahora que la línea de la figura está terminada en una impedancia Za la cual no es igual a Zo de la línea de transmisión. La línea ahora está "desacoplada". La energía de radio frecuencia RF que está llegando al final de una línea "desacoplada" no será completamente absorbida por la impedancia de carga, en lugar de eso, parte de la energía será reflejada hacia la fuente (transmisor). La cantidad de energía reflejada contra la cantidad de energía absorbida por la impedancia de carga depende del grado de desacoplamiento entre la impedancia característica de la línea y la impedancia de la carga conectada al extremo.

La razón de porqué la energía es reflejada en cuando hay una discontinuidad en la línea de transmisión, se puede entender mejor examinando algunos casos limitantes. Primero consideremos el caso extremo donde la línea está en corto circuito en su extremo final. La energía que está fluyendo hacia la carga encontrará el corto circuito y el voltaje bajará a cero en ese punto mientras que la corriente se elevará a su máximo. Desde que la corriente no puede desarrollar ninguna potencia en un corto, se reflejará hacia atrás hasta su fuente de señal. 5. WEBGRAFIA.                

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