Líneas de Transmisión: Conceptos Clave
Una línea de transmisión es un sistema conductor metálico diseñado para transferir energía eléctrica eficientemente de un punto a otro. Consiste en dos o más conductores separados por un material aislante, como un par de cables. La longitud de estas líneas varía desde unos pocos centímetros hasta miles de kilómetros. Se utilizan para propagar tanto corriente continua (CC) como corriente alterna (CA), abarcando un amplio rango de frecuencias, desde bajas hasta muy altas.
Ondas Electromagnéticas Transversales (TEM)
La energía eléctrica se propaga a lo largo de una línea de transmisión en forma de ondas electromagnéticas transversales. En una onda transversal, la dirección del desplazamiento es perpendicular a la dirección de propagación. (En contraste, una onda longitudinal tiene un desplazamiento en la misma dirección que la propagación).
En un conductor, la corriente y el voltaje siempre están acompañados por un campo eléctrico (E) y un campo magnético (H). Estos campos, E y H, son perpendiculares entre sí en todos los puntos. Las ondas electromagnéticas que viajan desde la fuente hacia la carga se denominan ondas incidentes, mientras que las que viajan desde la carga hacia la fuente se conocen como ondas reflejadas.
Características de las Ondas Electromagnéticas
Velocidad de Onda
Las ondas viajan a diferentes velocidades, dependiendo del tipo de onda y de las características del medio. En el vacío, las ondas TEM viajan a la velocidad de la luz. En el aire, su velocidad es ligeramente menor, y considerablemente más lenta a lo largo de una línea de transmisión.
Frecuencia y Longitud de Onda
Las oscilaciones de una onda electromagnética son periódicas y repetitivas. Se caracterizan por una frecuencia (f), que es la tasa a la que la onda periódica se repite. La distancia de un ciclo completo en el espacio se llama longitud de onda (λ) y se calcula mediante la siguiente ecuación:
λ = v * T
Donde:
- λ es la longitud de onda.
- v es la velocidad de la onda.
- T es el período de la onda (T = 1/f).
Tipos de Líneas de Transmisión
Las líneas de transmisión se clasifican generalmente en dos categorías: balanceadas y desbalanceadas.
Líneas Balanceadas
En las líneas balanceadas de dos cables, ambos conductores transportan corriente. Un conductor lleva la señal y el otro sirve como retorno. La señal se mide como la diferencia de potencial entre los dos cables. Ambos conductores transportan corriente de señal, y estas corrientes son iguales en magnitud con respecto a tierra, pero fluyen en direcciones opuestas (corrientes de circuito metálico). Las corrientes que fluyen en la misma dirección se denominan corrientes longitudinales. Una ventaja clave de los pares de cables balanceados es que la mayoría de las interferencias por ruido se inducen por igual en ambos cables, generando corrientes longitudinales que se cancelan en la carga.
Líneas Desbalanceadas
En una línea de transmisión desbalanceada, un cable está al potencial de tierra, mientras que el otro está al potencial de la señal. El cable de tierra también puede servir como referencia para otros cables de señal. Sin embargo, dado que un cable tiene resistencia, inductancia y capacitancia, puede existir una pequeña diferencia de potencial entre dos puntos cualesquiera en el cable de tierra. Esto significa que el cable de tierra no es un punto de referencia perfecto y puede ser susceptible a inducir ruido. La diferencia de potencial en cada cable de señal se mide desde ese cable a tierra.
Líneas de Transmisión de Conductor Paralelo: Tipos Específicos
Líneas de Transmisión de Cable Abierto
Consisten en dos cables paralelos, muy próximos entre sí y separados únicamente por aire. Se utilizan espaciadores no conductores a intervalos regulares para mantener la separación. La distancia entre los conductores suele estar entre 2 y 6 pulgadas. El dieléctrico es el aire entre y alrededor de los conductores. Su principal ventaja es su construcción sencilla. Sin embargo, al no tener cubierta, presentan altas pérdidas por radiación y son susceptibles al ruido. Operan típicamente en modo balanceado.
Cables Gemelos
Similares a las líneas de cable abierto, pero los espaciadores se reemplazan por un dieléctrico sólido no conductivo. Esto asegura una separación uniforme a lo largo del cable. La distancia típica entre conductores es de 5/16 pulgadas (para cables de transmisión de TV). Los materiales dieléctricos comunes son el teflón y el polietileno.
Cables de Par Trenzado
Se forman trenzando dos conductores aislados. Los pares se trenzan a menudo en unidades, y estas unidades se cablean juntas. Los pares adyacentes se trenzan con diferentes pasos para reducir la interferencia entre ellos debido a la inducción mutua.
Cables Protegidos con Armadura
Para reducir las pérdidas por radiación y las interferencias, las líneas de transmisión de dos cables paralelos pueden encerrarse en una malla metálica conductiva. La malla se conecta a tierra y actúa como un blindaje. Este blindaje evita que las señales se propaguen fuera de sus límites y que la interferencia electromagnética alcance los conductores de señal. Un par de cables paralelos protegidos consta de dos conductores paralelos separados por un dieléctrico sólido, todo ello encerrado en un tubo conductivo y cubierto con una capa protectora de plástico.