Una bobina de carga o bobina de carga es un inductor que se inserta en un circuito electrónico para aumentar su inductancia . El término se originó en el siglo XIX para los inductores utilizados para evitar la distorsión de la señal en cables de transmisión de telégrafos de larga distancia. El término también se usa para inductores en antenas de radio , o entre la antena y su línea de alimentación , para hacer que una antena eléctricamente corta resuene en su frecuencia de operación.
El concepto de bobinas de carga fue descubierto por Oliver Heaviside al estudiar el problema de la baja velocidad de señalización del primer cable telegráfico transatlántico en la década de 1860. Concluyó que se necesitaba inductancia adicional para evitar la distorsión de amplitud y retardo de tiempo de la señal transmitida. La condición matemática para una transmisión libre de distorsiones se conoce como condición de Heaviside . Las líneas telegráficas anteriores eran terrestres o más cortas y, por tanto, tenían menos retrasos, y la necesidad de inductancia adicional no era tan grande. Los cables de comunicaciones submarinos están particularmente sujetos al problema, pero las instalaciones de principios del siglo XX que usaban pares balanceados a menudo se cargaban continuamente con alambre o cinta de hierro en lugar de bobinas de carga discretas, lo que evitaba el problema del sellado.
Las bobinas de carga también se conocen históricamente como bobinas Pupin en honor a Mihajlo Pupin , especialmente cuando se usan para la condición de Heaviside y el proceso de insertarlas a veces se llama pupinización .
Una aplicación común de las bobinas de carga es mejorar las características de respuesta de amplitud de la frecuencia vocal de los pares trenzados balanceados en un cable telefónico. Debido a que el par trenzado es un formato equilibrado , se debe insertar la mitad de la bobina de carga en cada pata del par para mantener el equilibrio. Es común que ambos devanados estén formados en el mismo núcleo. Esto aumenta los enlaces de flujo , sin los cuales sería necesario aumentar el número de vueltas de la bobina. A pesar del uso de núcleos comunes, dichas bobinas de carga no incluyen transformadores , ya que no proporcionan acoplamiento a otros circuitos.
Las bobinas de carga insertadas periódicamente en serie con un par de cables reducen la atenuación en las frecuencias más altas de la voz hasta la frecuencia de corte del filtro de paso bajo formado por la inductancia de las bobinas (más la inductancia distribuida de los cables) y la capacitancia distribuida. entre los cables. Por encima de la frecuencia de corte, la atenuación aumenta rápidamente. Cuanto más corta sea la distancia entre las bobinas, mayor será la frecuencia de corte. El efecto de corte es un artefacto del uso de inductores agrupados . Con los métodos de carga que utilizan inductancia distribuida continua no existe ningún límite.
Sin bobinas de carga, la respuesta de la línea está dominada por la resistencia y la capacitancia de la línea y la atenuación aumenta suavemente con la frecuencia. Con bobinas de carga con exactamente la inductancia correcta, ni la capacitancia ni la inductancia dominan: la respuesta es plana, las formas de onda no están distorsionadas y la impedancia característica es resistiva hasta la frecuencia de corte. La formación coincidente de un filtro de frecuencia de audio también es beneficiosa porque se reduce el ruido.
Con bobinas de carga, la atenuación de la señal de un circuito permanece baja para señales dentro de la banda de paso de la línea de transmisión, pero aumenta rápidamente para frecuencias por encima de la frecuencia de corte de audio. Si la línea telefónica se reutiliza posteriormente para admitir aplicaciones que requieren frecuencias más altas, como en sistemas portadores analógicos o digitales o líneas de abonado digital (DSL), las bobinas de carga deben retirarse o reemplazarse. El uso de bobinas con condensadores en paralelo forma un filtro con la topología de un filtro derivado de m y también se pasa una banda de frecuencias por encima del corte. Sin la eliminación, para los suscriptores que se encuentran a una distancia extendida, por ejemplo, más de 4 millas (6,4 km) de la oficina central, no se puede admitir DSL.
Los cables telefónicos estadounidenses de principios y mediados del siglo XX tenían bobinas de carga a intervalos de una milla (1,61 km), generalmente en cajas de bobinas que contenían muchas. Las bobinas tuvieron que retirarse para pasar frecuencias más altas, pero las cajas de las bobinas proporcionaban lugares convenientes para repetidores de sistemas digitales de portadora T , que luego podían transmitir una señal de 1,5 Mbit/s a esa distancia. Debido a las calles más estrechas y al mayor costo del cobre, los cables europeos tenían alambres más delgados y usaban espacios más cortos. Intervalos de un kilómetro permitían a los sistemas europeos transportar 2 Mbit/s.
Otro tipo de bobina de carga se utiliza en antenas de radio . Las antenas de radio monopolares y dipolos están diseñadas para actuar como resonadores de ondas de radio; La potencia del transmisor, aplicada a la antena a través de la línea de transmisión de la antena , excita ondas estacionarias de voltaje y corriente en el elemento de la antena. Para ser resonante “naturalmente”, la antena debe tener una longitud física de un cuarto de la longitud de onda de las ondas de radio utilizadas (o un múltiplo de esa longitud, siendo generalmente preferidos los múltiplos impares). En resonancia, la antena actúa eléctricamente como una resistencia pura , absorbiendo toda la potencia que se le aplica desde el transmisor.
En muchos casos, por razones prácticas, es necesario hacer la antena más corta que la longitud resonante, esto se denomina antena eléctricamente corta . Una antena más corta que un cuarto de longitud de onda presenta reactancia capacitiva a la línea de transmisión [ cita requerida ] . Parte de la potencia aplicada se refleja nuevamente en la línea de transmisión y viaja de regreso hacia el transmisor [ cita requerida ] . Las dos corrientes de la misma frecuencia que corren en direcciones opuestas provocan ondas estacionarias en la línea de transmisión [ cita necesaria ] , medidas como una relación de ondas estacionarias (ROE) mayor que uno. Las corrientes elevadas desperdician energía al calentar el cable e incluso pueden sobrecalentar el transmisor.
Para hacer resonante una antena eléctricamente corta , se inserta una bobina de carga en serie con la antena. La bobina está construida para tener una reactancia inductiva igual y opuesta a la reactancia capacitiva de la antena corta, por lo que la combinación de reactancias se cancela. Cuando se carga así, la antena presenta una resistencia pura a la línea de transmisión, evitando que la energía se refleje. La bobina de carga a menudo se coloca en la base de la antena, entre esta y la línea de transmisión ( carga base ), pero para una radiación más eficiente, a veces se inserta cerca del punto medio del elemento de la antena ( carga central ). [ cita necesaria ]
Las bobinas de carga para transmisores potentes pueden tener requisitos de diseño desafiantes, especialmente en bajas frecuencias. La resistencia a la radiación de las antenas cortas puede ser muy baja, tan solo unos pocos ohmios en las bandas LF o VLF , donde las antenas suelen ser cortas y la carga inductiva es más necesaria. Debido a que la resistencia en el devanado de la bobina es comparable o excede la resistencia a la radiación, las bobinas de carga para antenas eléctricamente cortas deben tener una resistencia de CA extremadamente baja a la frecuencia de operación. Para reducir las pérdidas por efecto de piel , la bobina suele estar hecha de tubo o alambre Litz , con devanados de una sola capa, con espiras espaciadas para reducir la resistencia al efecto de proximidad . A menudo deben soportar altos voltajes. Para reducir la energía perdida en pérdidas dieléctricas , la bobina a menudo se suspende en el aire sostenida sobre finas tiras de cerámica. Las antenas cargadas capacitivamente utilizadas en bajas frecuencias tienen anchos de banda extremadamente estrechos y, por lo tanto, si se cambia la frecuencia, la bobina de carga debe poder ajustarse para sintonizar la antena para que resuene con la nueva frecuencia del transmisor. A menudo se utilizan variómetros .
Para reducir las pérdidas debidas a la alta capacitancia en líneas de transmisión de energía a granel de larga distancia , se puede introducir inductancia en el circuito con un sistema de transmisión de CA flexible (FACTS), un compensador estático VAR o un compensador estático síncrono en serie . La compensación en serie se puede considerar como un inductor conectado al circuito en serie si suministra inductancia al circuito.
La ecuación de Campbell es una relación debida a George Ashley Campbell para predecir la constante de propagación de una línea cargada. Se afirma como; [1]
dónde,
Una regla general más amigable para los ingenieros es que el requisito aproximado para espaciar las bobinas de carga es de diez bobinas por longitud de onda de la frecuencia máxima que se transmite. [2] Se puede llegar a esta aproximación tratando la línea cargada como un filtro k constante y aplicándole la teoría del filtro de imagen . A partir de la teoría básica del filtro de imagen, la frecuencia de corte angular y la impedancia característica de un filtro k constante de paso bajo vienen dadas por;
donde y son los valores de los elementos de la media sección.
A partir de estas ecuaciones básicas se puede encontrar la inductancia de la bobina de carga y el espaciamiento de las bobinas necesarios;
donde C es la capacitancia por unidad de longitud de la línea.
Expresar esto en términos de número de bobinas por longitud de onda de corte produce;
donde v es la velocidad de propagación del cable en cuestión.
Desde entonces
Campbell llegó a esta expresión por analogía con una línea mecánica cargada periódicamente con pesas descrita por Charles Godfrey en 1898, quien obtuvo un resultado similar. Las líneas mecánicas cargadas de este tipo fueron estudiadas por primera vez por Joseph-Louis Lagrange (1736-1813). [3]
El fenómeno de corte, por el cual las frecuencias por encima de la frecuencia de corte no se transmiten, es un efecto secundario indeseable de las bobinas de carga (aunque resultó muy útil en el desarrollo de filtros ). El corte se evita mediante el uso de carga continua ya que surge de la naturaleza agrupada de las bobinas de carga. [4]
El origen de la bobina de carga se puede encontrar en el trabajo de Oliver Heaviside sobre la teoría de las líneas de transmisión . Heaviside (1881) representó la línea como una red de elementos de circuito infinitamente pequeños. Aplicando su cálculo operativo al análisis de esta red descubrió (1887) lo que se conoce como la condición de Heaviside . [5] [6] Esta es la condición que debe cumplirse para que una línea de transmisión esté libre de distorsiones . La condición de Heaviside es que la impedancia en serie , Z, debe ser proporcional a la admitancia en derivación , Y, en todas las frecuencias. En términos de los coeficientes de la línea primaria, la condición es:
dónde:
Heaviside era consciente de que esta condición no se cumplía en los cables telegráficos prácticos que se utilizaban en su época. En general, un cable real tendría,
Esto se debe principalmente al bajo valor de fuga a través del aislador del cable, que es aún más pronunciado en los cables modernos que tienen mejores aislantes que en la época de Heaviside. Por lo tanto, para cumplir la condición, las opciones son intentar aumentar G o L o disminuir R o C. Disminuir R requiere conductores más grandes. El cobre ya se utilizaba en cables telegráficos y este es el mejor conductor disponible, aparte del uso de plata. Disminuir R significa usar más cobre y un cable más caro. Disminuir C también significaría un cable más grande (aunque no necesariamente más cobre). Aumentar G es muy indeseable; Si bien reduciría la distorsión, al mismo tiempo aumentaría la pérdida de señal. Heaviside consideró, pero rechazó, esta posibilidad que le dejó con la estrategia de aumentar L como forma de reducir la distorsión. [7]
Heaviside inmediatamente (1887) propuso varios métodos para aumentar la inductancia, incluido espaciar más los conductores y cargar el aislante con polvo de hierro. Finalmente, Heaviside propuso (1893) utilizar inductores discretos a intervalos a lo largo de la línea. [8] Sin embargo, nunca logró persuadir al GPO británico para que aceptara la idea. Brittain atribuye esto a que Heaviside no proporcionó detalles de ingeniería sobre el tamaño y el espaciado de las bobinas para parámetros de cable particulares. El carácter excéntrico de Heaviside y su diferenciación del establishment también pueden haber influido en que lo ignoraran. [9]
John S. Stone trabajó para American Telephone & Telegraph Company (AT&T) y fue el primero en intentar aplicar las ideas de Heaviside a las telecomunicaciones reales. La idea de Stone (1896) era utilizar un cable bimetálico de hierro y cobre que él mismo había patentado. [10] Este cable de Stone aumentaría la inductancia de la línea debido al contenido de hierro y tenía el potencial de cumplir con la condición de Heaviside. Sin embargo, Stone dejó la empresa en 1899 y la idea nunca se implementó. [11] El cable de Stone fue un ejemplo de carga continua, un principio que finalmente se puso en práctica en otras formas; véase, por ejemplo, el cable Krarup más adelante en este artículo.
George Campbell era otro ingeniero de AT&T que trabajaba en sus instalaciones de Boston. A Campbell se le asignó la tarea de continuar la investigación sobre el cable bimetálico de Stone, pero pronto la abandonó en favor de la bobina de carga. El suyo fue un descubrimiento independiente: Campbell estaba al tanto del trabajo de Heaviside para descubrir la condición de Heaviside, pero no estaba al tanto de la sugerencia de Heaviside de usar bobinas de carga para permitir que una línea la alcanzara. La motivación para el cambio de dirección fue el presupuesto limitado de Campbell.
Campbell estaba luchando por realizar una demostración práctica a través de una ruta telefónica real con el presupuesto que le habían asignado. Después de considerar que sus simuladores de líneas artificiales utilizaban componentes agrupados en lugar de las cantidades distribuidas que se encuentran en una línea real, se preguntó si no podría insertar la inductancia con componentes agrupados en lugar de utilizar la línea distribuida de Stone. Cuando sus cálculos mostraron que las bocas de acceso en las rutas telefónicas estaban lo suficientemente juntas como para poder insertar las bobinas de carga sin el gasto de tener que excavar la ruta o tender nuevos cables, cambió a este nuevo plan. [12] La primera demostración de carga de bobinas en un cable telefónico tuvo lugar el 6 de septiembre en una longitud de 46 millas del llamado cable de Pittsburgh (la prueba se realizó en Boston, el cable se había utilizado previamente para pruebas en Pittsburgh). 1899 realizada por el propio Campbell y su asistente. [13] El primer cable telefónico que utilizó líneas cargadas puesto en servicio público fue entre Jamaica Plain y West Newton en Boston el 18 de mayo de 1900. [14]
El trabajo de Campbell sobre bobinas de carga proporcionó la base teórica para su trabajo posterior sobre filtros que resultaron ser tan importantes para la multiplexación por división de frecuencia . El fenómeno de corte de las bobinas de carga, un efecto secundario indeseable, puede aprovecharse para producir una respuesta de frecuencia de filtro deseable. [15] [16]
Michael Pupin , inventor e inmigrante serbio en Estados Unidos, también participó en la historia de la carga de bobinas. Pupin presentó una patente rival a la de Campbell. [17] Esta patente de Pupin data de 1899. Hay una patente anterior [18] (1894, presentada en diciembre de 1893) que a veces se cita como la patente de la bobina de carga de Pupin pero que, de hecho, es algo diferente. La confusión es fácil de entender, el propio Pupin afirma que se le ocurrió por primera vez la idea de cargar bobinas mientras escalaba una montaña en 1894, [19] aunque no hay nada suyo publicado en ese momento. [20]
La patente de Pupin de 1894 "carga" la línea con condensadores en lugar de inductores, un esquema que ha sido criticado por ser teóricamente defectuoso [21] y nunca ponerse en práctica. Para aumentar la confusión, una variante del esquema de condensadores propuesto por Pupin sí tiene bobinas. Sin embargo, estos no pretenden compensar la línea de ninguna manera. Están ahí simplemente para restaurar la continuidad de CC en la línea para que pueda probarse con equipo estándar. Pupin afirma que la inductancia debe ser tan grande que bloquee todas las señales de CA por encima de 50 Hz. [22] En consecuencia, sólo el condensador agrega una impedancia significativa a la línea y "las bobinas no ejercerán ninguna influencia material en los resultados antes mencionados". [23]
Heaviside nunca patentó su idea; de hecho, no sacó ningún beneficio comercial de ninguno de sus trabajos. [24] A pesar de las disputas legales en torno a esta invención, es incuestionable que Campbell fue el primero en construir un circuito telefónico utilizando bobinas de carga. [25] También puede haber pocas dudas de que Heaviside fue el primero en publicar y muchos cuestionarían la prioridad de Pupin. [26]
AT&T libró una batalla legal con Pupin por su reclamo. Pupin fue el primero en patentar, pero Campbell ya había realizado demostraciones prácticas antes de que Pupin presentara su patente (diciembre de 1899). [27] La demora de Campbell en la presentación se debió a las lentas maquinaciones internas de AT&T. [28]
Sin embargo, AT&T eliminó tontamente de la solicitud de patente propuesta por Campbell todas las tablas y gráficos que detallaban el valor exacto de la inductancia que se requeriría antes de que se presentara la patente. [29] Dado que la patente de Pupin contenía una fórmula (menos precisa), AT&T estaba abierta a reclamaciones por divulgación incompleta. Temiendo que existiera el riesgo de que la batalla terminara con la invención declarada no patentable debido a la publicación previa de Heaviside, decidieron desistir del desafío y comprar una opción sobre la patente de Pupin por una tarifa anual para que AT&T controlara ambas patentes. En enero de 1901, a Pupin le habían pagado 200.000 dólares (13 millones de dólares en 2011 [30] ) y en 1917, cuando terminó el monopolio de AT&T y cesaron los pagos, había recibido un total de 455.000 dólares (25 millones de dólares en 2011 [30] ). [31]
El invento fue de enorme valor para AT&T. Los cables telefónicos ahora podrían usarse al doble de la distancia que antes era posible o, alternativamente, se podría usar un cable de la mitad de la calidad (y el costo) anterior en la misma distancia. Al considerar si permitirían a Campbell seguir adelante con la demostración, sus ingenieros habían estimado que podrían ahorrar 700.000 dólares en nuevos costos de instalación sólo en Nueva York y Nueva Jersey. [32] Se ha estimado que AT&T ahorró 100 millones de dólares en el primer cuarto del siglo XX. [33] [34] Heaviside, quien comenzó todo, se quedó sin nada. Le ofrecieron un pago simbólico, pero no aceptó porque quería recibir el crédito por su trabajo. Comentó irónicamente que si se hubiera admitido su publicación anterior, ésta "interferiría... con el flujo de dólares en la dirección adecuada...". [35]
La distorsión es un problema particular para los cables de comunicaciones submarinos , en parte porque su gran longitud permite que se acumule más distorsión, pero también porque son más susceptibles a la distorsión que los cables abiertos en postes debido a las características del material aislante. Diferentes longitudes de onda de la señal viajan a diferentes velocidades en el material causando dispersión . Fue este problema en el primer cable telegráfico transatlántico lo que motivó a Heaviside a estudiar el problema y encontrar la solución. [36] Las bobinas de carga resuelven el problema de la dispersión, y el primer uso de ellas en un cable submarino fue en 1906 por Siemens y Halske en un cable a través del lago Constanza . [37]
Existen varias dificultades al utilizar bobinas de carga con cables submarinos pesados. La protuberancia de las bobinas de carga no podía pasar fácilmente a través del aparato de tendido de cables de los barcos cableros y el barco tuvo que reducir la velocidad durante el tendido de una bobina de carga. [38] Las discontinuidades donde se instalaron las bobinas causaron tensiones en el cable durante el tendido. Sin mucho cuidado, el cable podría partirse y sería difícil repararlo. Otro problema fue que la ciencia material de la época tenía dificultades para sellar la unión entre la bobina y el cable contra la entrada de agua de mar. Cuando esto ocurrió, el cable se arruinó. [39] La carga continua se desarrolló para superar estos problemas, que también tiene la ventaja de no tener una frecuencia de corte. [40]
Un ingeniero danés, Carl Emil Krarup , inventó una forma de cable cargado continuamente que resolvió los problemas de las bobinas de carga discretas. El cable Krarup tiene alambres de hierro enrollados continuamente alrededor del conductor de cobre central con espiras adyacentes en contacto entre sí. Este cable fue el primer uso de carga continua en cualquier cable de telecomunicaciones. [41] En 1902, Krarup escribió su artículo sobre este tema y vio la instalación del primer cable entre Helsingør (Dinamarca) y Helsingborg (Suecia). [42]
Aunque el cable Krarup agregó inductancia a la línea, esto fue insuficiente para cumplir con la condición de Heaviside. AT&T buscó un mejor material con mayor permeabilidad magnética . En 1914, Gustav Elmen descubrió la aleación permanente , una aleación magnética recocida de níquel-hierro. Cª. 1915, Oliver E. Buckley , HD Arnold y Elmen, todos en Bell Labs , mejoraron enormemente las velocidades de transmisión al sugerir un método para construir cables de comunicaciones submarinos utilizando cinta de aleación permanente envuelta alrededor de los conductores de cobre. [43]
El cable se probó en una prueba en las Bermudas en 1923. El primer cable de aleación permanente puesto en servicio conectó la ciudad de Nueva York y Horta (Azores) en septiembre de 1924. [43] El cable de aleación permanente permitió aumentar la velocidad de señalización en los cables telegráficos submarinos a 400 palabras. /min en un momento en el que 40 palabras/min se consideraban buenas. [44] El primer cable transatlántico alcanzó sólo dos palabras/min. [45]
El mu-metal tiene propiedades magnéticas similares a las de la aleación permanente, pero la adición de cobre a la aleación aumenta la ductilidad y permite que el metal se transforme en alambre. El cable de mu-metal es más fácil de construir que el cable de aleación permanente, ya que el mu-metal se enrolla alrededor del núcleo del conductor de cobre de manera muy similar al alambre de hierro del cable Krarup. Otra ventaja del cable mu-metal es que la construcción se presta a un perfil de carga variable por el que la carga se estrecha hacia los extremos.
El mu-metal fue inventado en 1923 por Telegraph Construction and Maintenance Company , Londres, [46] que fabricó el cable, inicialmente, para Western Union Telegraph Co. Western Union competía con AT&T y Western Electric Company , que utilizaban aleación permanente. La patente de la aleación permanente estaba en manos de Western Electric, lo que impidió que Western Union la utilizara. [47]
La carga continua de cables es cara y, por tanto, sólo se realiza cuando es absolutamente necesario. La carga concentrada con bobinas es más barata pero tiene las desventajas de sellos difíciles y una frecuencia de corte definida. Un esquema de compromiso es la carga de parches mediante la cual el cable se carga continuamente en secciones repetidas. Las secciones intermedias se dejan descargadas. [48]
El cable cargado ya no es una tecnología útil para los cables de comunicación submarinos, ya que primero fue reemplazado por el cable coaxial que utiliza repetidores en línea alimentados eléctricamente y luego por el cable de fibra óptica . La fabricación de cables cargados disminuyó en la década de 1930 y luego fue reemplazada por otras tecnologías después de la Segunda Guerra Mundial . [49] Hoy en día todavía se pueden encontrar bobinas de carga en algunas líneas telefónicas fijas, pero las nuevas instalaciones utilizan tecnología más moderna.
Este artículo incorpora material de dominio público de la Norma Federal 1037C. Administración de Servicios Generales . Archivado desde el original el 22 de enero de 2022. (en apoyo de MIL-STD-188 ).
