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 los cables de transmisión telegráfica de larga distancia. El término también se utiliza para los inductores en las antenas de radio , o entre la antena y su línea de alimentación , para hacer que una antena eléctricamente corta resuene en su frecuencia de funcionamiento.
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 una inductancia adicional para evitar la distorsión de la amplitud y el retardo temporal de la señal transmitida. La condición matemática para una transmisión sin distorsión se conoce como la condición de Heaviside . Las líneas telegráficas anteriores eran terrestres o más cortas y, por lo tanto, tenían menos retardo, 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 de hierro o cinta en lugar de hacerlo de manera discreta con bobinas de carga, lo que evitaba el problema del sellado.
Las bobinas de carga también se conocen históricamente como bobinas de Pupin en honor a Mihajlo Pupin , especialmente cuando se utilizan para la condición Heaviside y el proceso de inserción a veces se denomina pupinización .
Una aplicación común de las bobinas de carga es mejorar las características de respuesta de amplitud de frecuencia de voz de los pares trenzados balanceados en un cable telefónico. Debido a que el par trenzado es un formato balanceado , la mitad de la bobina de carga debe insertarse en cada pata del par para mantener el equilibrio. Es común que ambos devanados se formen en el mismo núcleo. Esto aumenta los enlaces de flujo , sin los cuales sería necesario aumentar el número de vueltas en la bobina. A pesar del uso de núcleos comunes, dichas bobinas de carga no comprenden 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 de voz más altas 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 menor sea la distancia entre las bobinas, mayor será la frecuencia de corte. El efecto de corte es un artefacto del uso de inductores concentrados . Con los métodos de carga que utilizan inductancia distribuida continua no hay corte.
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 la inductancia exacta, ni la capacitancia ni la inductancia dominan: la respuesta es plana, las formas de onda no se distorsionan 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 las señales dentro de la banda de paso de la línea de transmisión, pero aumenta rápidamente para frecuencias superiores a la frecuencia de corte de audio. Si la línea telefónica se reutiliza posteriormente para admitir aplicaciones que requieren frecuencias más altas, como en sistemas de portadora analógica o digital o línea de abonado digital (DSL), las bobinas de carga se deben quitar o reemplazar. El uso de bobinas con condensadores paralelos forma un filtro con la topología de un filtro derivado de m y también se pasa una banda de frecuencias por encima de la frecuencia de corte. Sin la eliminación, para los abonados a una distancia extendida, por ejemplo, a 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 debían retirarse para pasar frecuencias más altas, pero las cajas de bobinas proporcionaban lugares convenientes para repetidores de sistemas de portadora T digitales , 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 cables más delgados y usaban un espaciado más cercano. Los intervalos de un kilómetro permitieron que los sistemas europeos transmitieran 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 antena. Para ser "naturalmente" resonante, 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 llama 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 de vuelta a la línea de transmisión y viaja de vuelta hacia el transmisor [ cita requerida ] . Las dos corrientes a la misma frecuencia que corren en direcciones opuestas causan ondas estacionarias en la línea de transmisión [ cita requerida ] , medidas como una relación de onda estacionaria (SWR) mayor que uno. Las corrientes elevadas desperdician energía calentando el cable e incluso pueden sobrecalentar el transmisor.
Para hacer que una antena eléctricamente corta resuene, 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 de esta manera, la antena presenta una resistencia pura a la línea de transmisión, lo que evita 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 requerida ]
Las bobinas de carga para transmisores potentes pueden tener requisitos de diseño desafiantes, especialmente a bajas frecuencias. La resistencia a la radiación de las antenas cortas puede ser muy baja, tan baja como unos pocos ohmios en las bandas LF o VLF , donde las antenas son comúnmente cortas y la carga inductiva es más necesaria. Debido a que la resistencia en el devanado de la bobina es comparable a, o excede la resistencia a la radiación, las bobinas de carga para antenas extremadamente cortas eléctricamente deben tener una resistencia de CA extremadamente baja en la frecuencia de operación. Para reducir las pérdidas por efecto pelicular , la bobina a menudo está hecha de tubos o alambre Litz , con devanados de una sola capa, con vueltas espaciadas para reducir la resistencia por efecto de proximidad . A menudo deben manejar altos voltajes. Para reducir la potencia perdida en pérdidas dieléctricas , la bobina a menudo está suspendida en el aire sostenida por tiras finas de cerámica. Las antenas cargadas capacitivamente que se utilizan a bajas frecuencias tienen anchos de banda extremadamente estrechos y, por lo tanto, si se cambia la frecuencia, la bobina de carga debe ser ajustable para sintonizar la antena a resonancia 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 VAR estático o un compensador serie síncrono estático . La compensación serie se puede considerar como un inductor conectado al circuito en serie si está suministrando inductancia al circuito.
La ecuación de Campbell es una ecuación que se debe a George Ashley Campbell para predecir la constante de propagación de una línea cargada. Se expresa como: [1]
dónde,
Una regla general más sencilla 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 se dan por:
donde y son los valores de los elementos de media sección.
A partir de estas ecuaciones básicas se pueden encontrar la inductancia de la bobina de carga necesaria y el espaciado entre bobinas;
donde C es la capacitancia por unidad de longitud de la línea.
Expresando esto en términos de número de bobinas por longitud de onda de corte obtenemos:
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 pesos 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 del corte, por el cual las frecuencias superiores a 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 líneas de transmisión . Heaviside (1881) representó la línea como una red de elementos de circuito infinitesimalmente pequeños. Al aplicar su cálculo operacional al análisis de esta red descubrió (1887) lo que se conoce como la condición de Heaviside . [5] [6] Esta es la condición que se debe cumplir para que una línea de transmisión esté libre de distorsión . 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 aislante del cable, que es aún más pronunciado en los cables modernos que tienen mejores aislantes que en la época de Heaviside. Para cumplir la condición, las opciones son, por tanto, intentar aumentar G o L o disminuir R o C. Disminuir R requiere conductores más grandes. El cobre ya se utilizaba en los cables telegráficos y es el mejor conductor disponible, salvo la plata. Disminuir R significa utilizar más cobre y un cable más caro. Disminuir C también significaría un cable más grande (aunque no necesariamente más cobre). Aumentar G es altamente indeseable; si bien reduciría la distorsión, al mismo tiempo aumentaría la pérdida de señal. Heaviside consideró, pero rechazó, esta posibilidad, lo que lo dejó con la estrategia de aumentar L como forma de reducir la distorsión. [7]
Heaviside propuso inmediatamente (1887) varios métodos para aumentar la inductancia, entre ellos espaciar más los conductores y cargar el aislador 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 a la GPO británica 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 distanciamiento del establishment también pueden haber influido en que lo ignoraran. [9]
John S. Stone trabajó para la 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) fue utilizar un cable bimetálico de hierro y cobre que había patentado. [10] Este cable de Stone aumentaría la inductancia de la línea debido al contenido de hierro y tenía el potencial de cumplir 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. Campbell recibió la tarea de continuar la investigación sobre el cable bimetálico de Stone, pero pronto la abandonó en favor de la bobina de carga. Su descubrimiento fue independiente: Campbell conocía el trabajo de Heaviside para descubrir la condición de Heaviside, pero desconocía la sugerencia de Heaviside de usar bobinas de carga para permitir que una línea la cumpliera. La motivación para el cambio de dirección fue el presupuesto limitado de Campbell.
Campbell estaba luchando por montar una demostración práctica sobre una ruta telefónica real con el presupuesto que le habían asignado. Después de considerar que sus simuladores de líneas artificiales utilizaban componentes concentrados en lugar de las cantidades distribuidas que se encuentran en una línea real, se preguntó si no podría insertar la inductancia con componentes concentrados 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 cerca unas de otras 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 bobinas de carga en un cable telefónico fue en una longitud de 46 millas del llamado cable de Pittsburgh (la prueba fue en realidad en Boston, el cable se había utilizado anteriormente para pruebas en Pittsburgh) el 6 de septiembre de 1899 llevada a cabo por el propio Campbell y su asistente. [13] El primer cable telefónico que utilizaba líneas cargadas que se puso en servicio público fue entre Jamaica Plain y West Newton en Boston el 18 de mayo de 1900. [14]
El trabajo de Campbell sobre las bobinas de carga proporcionó la base teórica para su trabajo posterior sobre filtros que resultó ser tan importante para la multiplexación por división de frecuencia . El fenómeno de corte de las bobinas de carga, un efecto secundario indeseable, se puede explotar para producir una respuesta de frecuencia de filtro deseable. [15] [16]
Michael Pupin , inventor e inmigrante serbio en los EE. UU., también jugó un papel en la historia de las bobinas de carga. 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 pensó por primera vez en la idea de las bobinas de carga mientras escalaba una montaña en 1894, [19] aunque no hay nada publicado por él 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 se puso en práctica. Para aumentar la confusión, una variante del esquema de condensadores propuesto por Pupin sí tiene bobinas. Sin embargo, estas no están destinadas a compensar la línea de ninguna manera. Están allí simplemente para restaurar la continuidad de CC a 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, solo 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 provecho 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 hay 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 reclamación. 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 presentar la solicitud se debió a las lentas maquinaciones internas de AT&T. [28]
Sin embargo, AT&T cometió la tontería de eliminar 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 presentar la patente. [29] Dado que la patente de Pupin contenía una fórmula (menos precisa), AT&T estaba expuesta a reclamos 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. Para enero de 1901, Pupin había recibido $200,000 ($13 millones en 2011 [30] ) y para 1917, cuando el monopolio de AT&T terminó y los pagos cesaron, había recibido un total de $455,000 ($25 millones en 2011 [30] ). [31]
La invención fue de enorme valor para AT&T. Ahora se podían utilizar cables telefónicos para recorrer el doble de distancias que antes, o bien se podía utilizar un cable de la mitad de calidad (y coste) que antes para recorrer la misma distancia. Al considerar si permitir que Campbell siguiera adelante con la demostración, sus ingenieros habían calculado que se ahorrarían 700.000 dólares en costes de nueva instalación sólo en Nueva York y Nueva Jersey. [32] Se ha calculado que AT&T ahorró 100 millones de dólares en el primer cuarto del siglo XX. [33] [34] Heaviside, que lo inició todo, se quedó sin nada. Le ofrecieron un pago simbólico, pero no lo aceptó porque quería el crédito por su trabajo. Señaló irónicamente que si se hubiera admitido su publicación anterior, "interferiría... con el flujo de dólares en la dirección adecuada...". [35]
La distorsión es un problema particular para los cables de comunicación 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 de Constanza . [37]
Existen varias dificultades al utilizar bobinas de carga con cables submarinos pesados. El abultamiento de las bobinas de carga no podía pasar fácilmente a través del aparato de tendido de cables de los barcos cableros y el barco tenía que reducir la velocidad durante el tendido de una bobina de carga. [38] Las discontinuidades en el lugar donde se instalaban las bobinas causaban tensiones en el cable durante el tendido. Sin un gran cuidado, el cable podía romperse y sería difícil de reparar. Otro problema era que la ciencia de los materiales de la época tenía dificultades para sellar la unión entre la bobina y el cable contra la entrada de agua de mar. Cuando esto ocurría, el cable se arruinaba. [39] Se desarrolló la carga continua para superar estos problemas, que también tiene la ventaja de no tener una frecuencia de corte. [40]
Un ingeniero danés, Carl Emil Krarup , inventó un tipo de cable de carga continua que resolvió los problemas de las bobinas de carga discretas. El cable Krarup tiene alambres de hierro enrollados continuamente alrededor del conductor central de cobre con espiras adyacentes en contacto entre sí. Este cable fue el primero en utilizar la carga continua en cualquier cable de telecomunicaciones. [41] En 1902, Krarup escribió su artículo sobre este tema y fue testigo de la instalación del primer cable entre Helsingør (Dinamarca) y Helsingborg (Suecia). [42]
Aunque el cable Krarup añadió inductancia a la línea, esto no fue suficiente para cumplir con la condición de Heaviside. AT&T buscó un mejor material con mayor permeabilidad magnética . En 1914, Gustav Elmen descubrió el permalloy , una aleación magnética de níquel-hierro recocido. En 1915, Oliver E. Buckley , HD Arnold y Elmen, todos en Bell Labs , mejoraron enormemente las velocidades de transmisión al sugerir un método para construir un cable de comunicaciones submarino utilizando cinta de permalloy envuelta alrededor de los conductores de cobre. [43]
El cable fue probado en una prueba en Bermudas en 1923. El primer cable permalloy puesto en servicio conectó la ciudad de Nueva York y Horta (Azores) en septiembre de 1924. [43] El cable permalloy permitió aumentar la velocidad de señalización en los cables telegráficos submarinos a 400 palabras/min en una época en la que 40 palabras/min se consideraban buenas. [44] El primer cable transatlántico alcanzó solo dos palabras/min. [45]
El mu-metal tiene propiedades magnéticas similares a las del permalloy, pero la adición de cobre a la aleación aumenta la ductilidad y permite que el metal se convierta en alambre. El cable de mu-metal es más fácil de construir que el cable de permalloy, ya que el mu-metal se enrolla alrededor del conductor de cobre central de la misma manera que el cable de hierro en el cable Krarup. Otra ventaja del cable de mu-metal es que la construcción se presta a un perfil de carga variable, por lo que la carga se estrecha hacia los extremos.
El mu-metal fue inventado en 1923 por la Telegraph Construction and Maintenance Company de Londres, [46] que fabricó el cable, inicialmente, para la Western Union Telegraph Co. Western Union competía con AT&T y la Western Electric Company que utilizaban permalloy. La patente del permalloy estaba en manos de Western Electric, lo que impedía a Western Union utilizarlo. [47]
La carga continua de los cables es costosa y, por lo tanto, solo se realiza cuando es absolutamente necesario. La carga concentrada con bobinas es más barata, pero tiene las desventajas de los sellos difíciles y una frecuencia de corte definida. Un esquema de compromiso es la carga por parches , mediante la cual el cable se carga continuamente en secciones repetidas. Las secciones intermedias se dejan sin carga. [48]
El cable cargado ya no es una tecnología útil para los cables de comunicación submarinos, habiendo sido reemplazado primero por el cable coaxial que utiliza repetidores en línea alimentados eléctricamente y luego por el cable de fibra óptica . La fabricación de cable cargado disminuyó en la década de 1930 y luego fue reemplazada por otras tecnologías después de la Segunda Guerra Mundial . [49] Todavía se pueden encontrar bobinas de carga en algunas líneas telefónicas fijas hoy en día, pero las nuevas instalaciones utilizan tecnología más moderna.
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