Cable Coaxial

Articulo leído en el Programa Colombiano para Radioaficionados el domingo 21 de Febrero 2016.

 

Cuando adquirimos un cable coaxial nos dicen que tiene una impedancia de 50 o 75 ohms. Que significa esta resistencia?  Si tenemos un cable RG8 y RG58 ambos son declarados como de 50 ohms aunque tienen un tamaño diferente, el RG8 es más grueso que el RG58. Otro caso el RG58 y el RG59 tiene casi el mismo tamaño sin embargo el primero es de 50 ohms y el segundo es de 75 ohms.

Para tratar de aclarar este tema, permítame decir que 50 o 75 ohms  no es propiamente una resistencia que podamos medir con multímetro  común de corriente continua. Estos valores son medidas de “impedancia” y se conocen con el término de “impedancia característica del cable”.  Se llama impedancia porque es una medida del comportamiento del cable con corriente alterna de alta frecuencia conocidas como corriente de radio frecuencia.

El cable coaxial está constituido por un conductor central de cobre y un tubo formado por una malla. Entre la malla y el cobre hay un material aislante.  Si nosotros tomamos un trozo de cable  coaxial y midiéramos, en un extremo, la resistencia a corriente continua entre el centro y la malla, esta sería infinita. Si nosotros, en el otro extremo del cable coaxial hiciéramos un corto entre el centro y la malla, la resistencia medida sería casi cero.  La resistencia es la del cobre del cable y depende de la longitud del trozo de cable que estamos usando, pero de todas maneras es muy baja, muchísimo menos de 50 ohms.

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Pero el cable coaxial tiene otro comportamiento cuando lo conectamos a corrientes alternas de alta frecuencia.  En el cable coaxial entre el conductor central y la malla se presenta como si fuera un condensador  y su capacidad aumenta dependiendo de la longitud del cable. Podemos decir que el cable tiene una capacitancia distribuida en su longitud. Por otro lado un cable o alambre en el sentido longitudinal presenta una inductancia (similar a una bobina). La inductancia y la capacitancia del cable coaxial es distribuida a través de la longitud del cable.

Cuando el cable es alimentado con corriente alterna , la inductancia y capacitancia distribuida producen un efecto de Impedancia. (recordemos que impedancia es la sumas de capacitancia e inductancia  que tiene símbolos diferentes y el componente resistivo).  Esa impedancia que presenta el cable es conocida como “impedancia  característica” y es la que se da como característica del cable 50 o 75 ohms  típicamente.

En teoría la impedancia característica seria la impedancia de un cable coaxial de longitud infinita, es decir 50 o 75 ohms sería la impedancia resistiva que tendría un cable coaxial de una longitud  muy, muy largo, es decir longitud infinita.

Este valor teórico tiene un significado más práctico. Supongamos que tenemos un cable coaxial de una longitud finita, algunos metros. En un extremo del cable, entre el centro y la malla, conectamos una resistencia de un valor en ohms dado.  En el otro extremo del cable lo conectamos a un generador de corriente alterna de alta frecuencia (en otras palabras un transmisor de radio) y medimos el voltaje entre centro y malla y también la corriente que circula por los alambres.  La división entre el voltaje y la corriente nos daría la resistencia que el transmisor está viendo en su extremo de cable coaxial y que se llama la impedancia reflejada , es decir la impedancia que el transmisor aparentemente ve debido a la impedancia  (o resistencia) conectada al otro lado del cable coaxial.

La resistencia reflejada no es la misma que el valor colocado en otro extremo del cable, su valor depende de la longitud del cable y la frecuencia de trabajo. Esto es motivado cuando la corriente es alterna y tarda un tiempo en alcanzar el otro extremo del cable donde hemos puesto la resistencia.  Cuando llega a la resistencia, la corriente nota una anomalía en el medio de transmisión y parte de la corriente va a la resistencia y otra parte decide regresarse por el cable hacia el transmisor.

Podemos decir que en un cable coaxial existe una corriente que fluye del transmisor a la resistencia, que llamaremos corriente directa, y una corriente que es retornada por la resistencia que fluye de la resistencia hacia el transmisor que llamaremos corriente reflejada.

Pues bien, hay un caso importante: Si nosotros como resistencia colocamos un valor igual a la impedancia característica del cable coaxial que estamos usando. En otras palabras, si estamos usando un cable coaxial de 50 ohms y colocamos en un extremo una resistencia de 50 ohms, el transmisor en el otro extremo va a ver una resistencia de 50 ohms, algo así como si el cable fuera transparente y no influyera en la transferencia de energía entre el transmisor y la resistencia  sin perdidas.

Si el cable coaxial está conectado en un extremo a una resistencia de valor igual a su impedancia característica podemos decir que el cable esta “matchado” de la palabra del inglés “match” que se podría traducir como acoplado o apareado. Cuando el cable esta matchado no hay corrientes reflejadas, toda la corriente fluye en una sola dirección y no hay perdidas en el cable.

Si tenemos un trozo de cable coaxial de 50 ohms y en un extremo ponemos una resistencia de 50 ohms, la resistencia vista en el otro extremo del cable será también 50 ohms . Ahora bien, si en este extremos conectamos otro trozo de cable coaxial de 50 ohms , en el extremo lejano del segundo cable también se va a reflejar 50 ohms. Esto quiere decir que si el cable esta matchado, el conserva la misma resistencia independiente de la longitud del cable.

En la practica usamos un cable coaxial para conectar el transmisor a una antena. Una antena dipolo clásica, es decir media longitud de onda alimentada en el centro, presenta en el centro una impedancia de unos 70 ohms, su valor depende de la construcción física de la antena y en entorno.  Casi todos los transmisores modernos vienen diseñado para transferir su energía a una resistencia (carga) de 50 ohms por lo cual es practica común usar cable coaxial de 50 ohms para acoplar el transmisor a una antena. Noten que la antena tiene alrededor de 70 ohms y no 50 por lo cual el acoplamiento no es perfecto pero aceptable. Normalmente se utiliza un acoplador de antena para lograr optimizar el acoplamiento.

Las consideraciones que he hecho para cable coaxial es también valida para el caso de líneas de transmisión de cable paralelo, la diferencia que la impedancia característica del los coaxial son tipicamnet 50 0 75 ohms, mientras las líneas paralelas presentan impedancias entre 300 a 600 ohms típicamente.  Tambien se puede usar par trenzado como línea de transmisión con impedancia característica de 120 ohms.

 

 

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Reconstrucción de Power Supply para SWAN

Los tranceptores Swan 350 y 500 utilizan la fuente de alimentación (Power Supply) de referencia “Swan 117 Powwer Supply” como se muestra en la foto;

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La fuente es alimentada con los 110 VAC de la red y suministra los diferentes voltajes necesarios para el funcionamiento de del tranceptor. Estos equipos tienen mas de 50 años de haber sido construido y el filtrado de la corriente continua presenta mucha ondulación causada por los condensadores electrolíticos que con el paso de los años pierden sus condiciones.

El objetivo del presente proyecto fue reemplazar los condensadores electrolíticos de la fuente por nuevos.

El primer paso fue abrir la caja para tener acceso a sus componentes.

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Como puede verse en la foto, esta unidad ya habia sido reparada y algunos de sus componentes, diodos y condensadores,  habían sido reemplazados. La decisión fue reemplazar todos los condensadores y componentes montados en la placa de circuito impreso por nuevos.

PRECAUCIÓN:  La fuente maneja voltajes de 250 y 800 VDC los cuales son peligrosos para la salud humana. Tome todas las medidas necesarias antes de manipular este equipo al descubierto.

El siguiente es el esquema de circuito suministrado por Swan:

Swan 117xc Power Supply Schematic

Usando el programa Proteus (ISIS) se elaboro un esquema de los componentes contenidos por la placa de circuito impreso:

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Los componentes necesarios para el nuevo circuito fueron:

1 Placa de circuito impreso de 4 1/2 pulgadas de lado (aproximadamente 11.5 cmts de lado).

4 Condensadores electrolíticos de 220 mfd a 400 voltios. Los originales son de 100 mfd pero mejoramos el funcionamiento usando condensadores de mas capacidad.

1 Condensador electrolítico 250 mfd a 35 voltios.

1 Condensador electrolítico de 150 mfd a 160 voltios.

10 Diodos 1 amperio 1000 voltios inversos. (1N4007). El regimen de alguns diodos es menor a 1000 voltios, pero la diferencia de precio no es critica por lo que se opta por usar todos iguales.

3 Resistencias 150.000 ohms 2 vatios. En el circuito use resistencias de 120.000 ohm  que ya tenia. Su valor no es critico.

1 Resistencia de 4.7 ohms 1 vatio. Realmente use una de 2 vatios.

1 El circuito antiguo usa una pequeña bobina, la cual fue removida y reinstalada en el nuevo circuito.

Usando Proteus (ARES) se diseño la distribucion de componentes y circuitos de la nueva placa de circuitos impresos:

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Se uso una solución poco convencional: Los condensadores electrolíticos se montaron por la cara del circuito sin cobre mientras que las resistencias y diodos se montaron sobre la cara con cobre, simulando como si fuera soldando sobre superficie. Por este motivo el negativo usado para quemar la placa debería estar invertida (imagen de espejo). La siguiente es la mascara usada para quemar la placa de circuito impreso.

PS-board3-1-inv

La siguiente foto muestra como queda la placa de circuito impreso después de ser quemada:

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Las siguiente son fotos después de montar los componentes:

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Por último fotos de como quedo la placa instalada y cableada antes de volver a tapar la caja:

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