LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

Curso de Ingeniería

QUE ES UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN?

Una línea de transmisión es una estructura material utilizada para dirigir la transmisión de energía en forma de ondas electromagnéticas, comprendiendo el todo o una parte de la distancia entre dos lugares que se comunican.

SEÑAL O ONDA ELECTROMAGNÉTICA

Una onda electromagnética es la forma de propagación de la radiación electromagnética a través del espacio. A diferencia de las ondas mecánicas, las ondas electromagnéticas no necesitan de un medio material para propagarse; es decir, pueden desplazarse por el vacío.

Las ondas luminosas son ondas electromagnéticas cuya frecuencia está dentro del rango de la luz visible.

RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA

La radiación electromagnética es una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro.

La velocidad de propagación de la radiación electromagnética en el vacío es c. La teoría electromagnética establece que:

siendo Єo y μ0 la permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética del vacío respectivamente

ENERGÍAEn física, «energía» se define como la capacidad para realizar un trabajo.

Física clásica

Energía mecánica, que es la combinación o suma de los siguientes tipos:

Energía cinética: relativa al movimiento. Energía potencial: la asociada a la posición dentro de un campo de fuerzas conservativo.

En electromagnetismo :

Energía electromagnética, que se compone de:

Energía radiante: la energía que poseen las ondas electromagnéticas. Energía calórica: la cantidad de energía que la unidad de masa de materia puede desprender al producirse una reacción química de oxidación. Energía potencial eléctrica Energía eléctrica: resultado de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos.

UN MEDIO DE TRANSMISIÓN SIRVE

Para transportar una señal electromagnética desde un punto a otro en forma analógica o digital, y se lleva a través de:

Un medio de transmisión Guiado Un medio de transmisión No Guiado

Medio de Transmisión Guiado Cable

Medio de Transmisión No Guiado Aire

MEDIOS DE TRANSMISIÓN

El medio de transmisión constituye el soporte físico a través del cual emisor y receptor pueden comunicarse en un sistema de transmisión de datos.

Distinguimos dos tipos de medios: Guiados y No Guiados En ambos casos la transmisión se realiza por

medio de ondas electromagnéticas.

MEDIOS GUIADOS Y NO GUIADOS

Los medios guiados conducen (guían) las ondas a través de un camino físico, ejemplos de estos medios son el cable coaxial, el cable bifilar, la fibra óptica, el par trenzado y la guía de onda.

En el caso de medios guiados es el propio medio el que determina el que determina principalmente las limitaciones de la transmisión: velocidad de transmisión de los datos, ancho de banda que puede soportar y espaciado entre repetidores

Los medios no guiados proporcionan un soporte para que las ondas se transmitan, pero no las dirigen; como ejemplo de ellos tenemos el aire y el vacío.La naturaleza del medio junto con la de la señal que se transmite a través de él constituyen los factores determinantes de las características y la calidad de la transmisión.

CABLE PAR TRENZADO DE 4 HILOS

Cable coaxial

Código de colores par trenzado 25 pares

CABLE BIFILAR

CABLE DE FIBRA OPTICA ILUMINADO EN LA PUNTA

LO PRIMERO QUE SE DEBE DE HACER PARA LA TRANSMISIÓN DE

UNA SEÑAL ES SELECCIONAR

EL MEDIO DE TRANSMISIÓN

Medio No Guiado

Aire o Vacio

Medio Guiado

Bifilar, Coaxial, Guía de onda, Fibra Óptica

SI SELECCIONAMOS UN MEDIO NO GUIADO AIRE O VACIO SE DEBE DE

CONOCER SU IMPEDANCIA INTRÍNSECA

Cuando una señal se necesita enviar a través de un medio no guiado es necesario conocer la impedancia intrínseca del medio de transmisión.

La relación real entre la permeabilidad y la permitividad del aire se lo conoce como impedancia intrínseca de onda para el espacio vacío.

Mientras que este es un valor constante para el vacio en condiciones normales e ideales de :

SI SELECCIONAMOS UN MEDIO NO GUIADO AIRE O VACIO SE DEBE DE

CONOCER SU IMPEDANCIA INTRÍNSECA

También se sabe que es una cantidad 𝛈compleja dada en ohms y se puede calcular como:

Aire o vacio

SI SELECCIONAMOS UN MEDIO GUIADO CABLE SE DEBE DE

CONOCER SU IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA

Se puede conocer la impedancia característica de dos maneras:

1.- Por características físicas2.- Por características eléctricas

Características físicasPara realizar el calculo de la impedancia Zo de un cable bifilar o coaxial, conociendo sus características físicas, se tiene que conocer los diámetros de los cables y las distancias de separación entre ellos.

Con la ayuda de un vernier se pueden obtener valores mas precisos de las variables físicas de los cables.

CALCULO DE LA IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA DE UN CONDUCTOR BIFILAR

Donde :

Zo = Impedancia característica

a = Radio del conductor

d = Distancia entre conductores, de centro a centro

ℇr = Constante dieléctrica del material aislante

Las líneas bifilares constan de dos conductores paralelos colocados el uno cerca del otro, para evitar radiaciones e inducciones; los conductores se mantienen separados mediante un material aislante: cristal, polietileno u otros, de bajas pérdidas, convenientemente colocado, de manera que el dieléctrico sea el aire en un porcentaje muy elevado. La línea bifilar es de bajas pérdidas y barata, aunque su instalación es complicada, ya que hay que mantenerla tensada para conservar su paralelismo y simetría, así como tenerla alejada de los objetos metálicos y paredes.

CALCULO DE LA IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA DE UN CONDUCTOR

COAXIAL

Donde :

Zo = Impedancia característica

d = Diámetro externo del conductor interno

D = Diámetro interno del conductor externo

ℇr = Constante dieléctrica del material aislante

CALCULO DE LA IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA DE UN CONDUCTOR

COAXIAL

Donde :

Zo = Impedancia característica

a = radio externo del conductor interno

b = radio interno del conductor externo

ℇr = Constante dieléctrica del material aislante

CABLE COAXIAL

Cable coaxial RG-59.A: Cubierta protectora de plásticoB: Malla de cobreC: AislanteD: Núcleo de cobre.

TIPOS DE CABLES COAXIALES Y CONECTORES

FACTOR DE VELOCIDADComo se pudo observar en las formulas anteriores ahora encontramos un factor de velocidad definido por:

el cual depende del valor de la constante dieléctrica del medio para realizar el aislamiemto entre los conductores.

A continuación se muestran algunos valores de materiales que se pueden usar.

Material Constante dieléctrica relativa (ℇr)Vacio 1.0Aire 1.0006Teflón 2.1Polietileno (PE) 2.27Poliestireno 2.5Papel parafinado 2.5Hule 3.0Cloruro de polivinilo (PVC) 3.3Mica 5.0Vidrio 7.5

Como se puede ver entonces las señales siempre tendrán diferentes velocidades de desplazamiento dentro de las líneas de transmisión de acuerdo al factor de velocidad propio de cada material, a continuación se enlistan algunos.

Material Factor de Velocidad

Aire 0.95 – 0.975

Hule 0.56 – 0.65

Polietileno 0.66

Teflón 0.70

Espuma de teflón 0.82

Espigas de teflón 0.81

Espiral de teflón 0.81

SI SELECCIONAMOS UN MEDIO GUIADO CABLE SE DEBE DE

CONOCER SU IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA

Características eléctricas

En este caso es necesario conocer:

a) Los parámetros eléctricos distribuidos

b) La frecuencia de la señal a transmitir en el cable

La misma formula es empleada para cables bifilares y coaxiales

IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA ZO

El concepto de impedancia característica representa un valor uniforme a lo largo de toda la línea, por lo tanto sus unidades son ohms ( Ω )

Como se puede observar en esta formula se encuentran 4 variables, que se conocen como parámetros eléctricos distribuidos.

PARÁMETROS DISTRIBUIDOS DE UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN

Se designan como parámetros primarios de la línea los siguientes:

- Resistencia en serie por unidad de longitud, R, expresada en Ω/m.

- Inductancia en serie por unidad de longitud L en Hy/m.

- Capacidad en paralelo por unidad de longitud, C, en fd/m.

- Conductancia en paralelo por unidad de longitud, G, en S/m.

REPRESENTACIÓN ELECTRICA DE UNA LT

VARIABLE DE FRECUENCIA

La frecuencia angular

Donde:

T = por ser un tiempo sus unidades son seg

f. = es frecuencia en ciclos/ seg, o sea, Hertz (Hz)

ω. = son radianes por seg, (rad/seg)

Ondaelectromagnétic

a

Transmisión de datos por un medio guiado cuya impedancia

característica es Zo

Transmisor

ReceptorMedio Guiado Zo

Cable negativo

Cable positivo

Fuente de Voltaje / Corriente

Carga

CALCULO DE LOS PARÁMETROS ELÉCTRICOS DISTRIBUIDOS

LINEA COAXIAL

Parámetro Baja frecuencia Alta frecuencia

Resistencia (Ω/m)

Capacitancia (F/m)

G conductancia (S/m)

L inductancia (H/m)

CALCULO DE LOS PARÁMETROS ELÉCTRICOS DISTRIBUIDOS

PARAMETROS DISTRIBUIDOS PARA UNA LINEA

BIFILAR

Parámetro Baja frecuencia Alta frecuencia

Resistencia (Ω/m)

Capacitancia (F/m)

G conductancia (S/m)

L inductancia (H/m)

PROFUNDIDAD DE PENETRACIÓN O PROFUNDIDAD PELICULAR DEL

CONDUCTORSe puede observar en las ecuaciones anteriores

una nueva variable que es δ que se refiere a la profundidad de penetración o pelicular del conductor.

Es una medida del grado de penetración de una onda electromagnética en el medio o en el conductor.

También es el fenómeno por el que la intensidad de campo decrece rápidamente en un conductor se conoce como efecto pelicular, por lo que los campos son asociados a una capa muy delgada de la superficie del conductor ( la piel).

PROFUNDIDAD DE PENETRACIÓN O PELICULAR

Una vez que se realiza este calculo se debe de comparar con respecto a las dimensiones físicas del conductor, para saber si la frecuencia de operación o que se va a transmitir en el cable, es de baja o alta frecuencia.

δ » a es baja frecuencia δ « a es alta frecuencia

Para comparar entre sí los materiales, se entiende la permeabilidad magnética absoluta (μ) como el producto entre la permeabilidad magnética relativa (μr) y la permeabilidad magnética de vacío (μ0):

μ = μrμ0

Los materiales se pueden clasificar según su permeabilidad magnética relativa en:

ferromagnéticos, cuyo valor de permeabilidad magnética relativa es muy superior a 1.

paramagnéticos o no magnéticos, cuya permeabilidad relativa es aproximadamente 1 (se comportan como el vacío).

diamagnéticos, de permeabilidad magnética relativa inferior a 1.

Los materiales ferromagnéticos atraen el campo magnético hacia su interior. Son los materiales que "se pegan a los imanes". Esa propiedad recibe el nombre de ferromagnetismo. Ejemplos de ellos son el hierro y el níquel.

Los materiales paramagnéticos son la mayoría de los que encontramos en la naturaleza. No presentan ferromagnetismo, y su reacción frente a los campos magnéticos es muy poco apreciable.

Los materiales diamagnéticos repelen el campo magnético, haciendo que éste pase por el exterior del material. En general, esta acción diamagnética es muy débil, y no es comparable al efecto que produce el campo magnético sobre los materiales ferromagnéticos. Un ejemplo de material diamagnético es el cobre.

Otro efecto de los campos magnéticos sobre los materiales es el antiferromagnetismo, que resulta en una polarización nula del material, pero produce una ordenación interna de éste.

QUE SE DEBE CONOCER DE UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN ?

Las ecuaciones de voltaje y corriente que determinan la impedancia de la línea en cualquier punto “z” de esta.

Lo que se debe de conocer de la línea de transmisión:

a) Su impedancia en cualquier punto de “z”b) La atenuación que la línea presenta a la

señalc) El retardo que introduced) La velocidad de propagación de la

información e) La impedancia característica “Zo”

CONSTANTE DE PROPAGACIÓN

La constante de propagación γ se calcula mediante la ecuación que ofrece la información sobre la atenuación y la constante de fase en la línea de transmisión.

Se observa que es un numero complejo y se puede expresar como:

γ = α + jβ

Donde α es la parte real de γ, representa la atenuación de la línea en neper por unidad de longitud (Np/m)

Y β es la parte imaginaria de γ, representa la constante de fase en radianes por unidad de longitud (rad/m), y a partir de ella se puede conocer el retardo que la línea produce a la señal y la velocidad de propagación que esta señal tiene en la línea

DISTRIBUCIÓN DE SEÑAL DE VOLTAJE Y/O CORRIENTE DENTRO DE UNA LÍNEA DE

TRANSMISIÓN

FUENTE DE VOLTAJE Y/O CORRIENTE

Transmisión de datos a través de un medio guiado que tiene una impedancia característica Zo

Animation 1

Animation 2