Varias preguntas básicas sobre la alternancia de voltaje / corriente

Cuando estamos analizando circuitos, generalmente es mejor pensar en el enfoque de teoría de circuitos simple 'cuasi-estático', o usar líneas de transmisión y llevar ese tratamiento a su conclusión lógica. Si empiezas a pensar en líneas de transmisión, pero luego asumes que la carga debe coincidir, has complicado la situación y restringido tu pensamiento a un caso muy grave.

Cuasi estático

AC es una frecuencia tan baja que todos los puntos de todos los cables tienen el mismo voltaje. Es un 'nodo', en lo que se refiere a la teoría de circuitos. No hay olas. Las cargas consumen tanta corriente como sea necesario a partir del voltaje aplicado y su reactancia.

Líneas de transmisión

El voltaje y la corriente en una onda en la línea de transmisión siempre están en la relación de la impedancia de la línea. Sin embargo, hay dos ondas independientes en la línea, una en cada dirección. Los voltajes y corrientes que leemos en un metro son las sumas y las diferencias de esas ondas.

Por ejemplo, si cortocircuitamos el final de la línea, las ondas son iguales en amplitud y en fases, por lo que suman un voltaje cero y una corriente finita. Si abrimos el circuito al final de la línea, entonces se sincronizarán las ondas de amplitud igual para que se sumen a un voltaje finito con corriente cero. Solo en el caso de una carga que coincida con la línea, hay una onda hacia adelante sin una onda reflejada hacia atrás. Una carga arbitraria tenderá a reflejar una amplitud menor de la onda reflejada que la onda incidente. Esta es la onda de 'coeficiente de reflexión' o 'pérdida de retorno'.

Cuando la alimentación se conecta por primera vez a la línea, hay un estado transitorio que dura varios retrasos de propagación de la línea. Una onda de avance de la fuente de energía viaja hasta el final y encuentra la carga. Si la carga acepta la relación de voltaje y corriente que está en la onda, es decir, si la carga coincide, ese es el final de la etapa transitoria. Sin embargo, si la carga no coincide, se refleja una onda inversa, de modo que las sumas de las ondas crean una tensión y una corriente de carga que son correctas para la carga. Esta onda inversa puede ser reflejada nuevamente por la fuente. Cada reflexión será más pequeña que la anterior, y después de suficientes viajes de ida y vuelta, podemos decir que la situación se ha estabilizado.

Esto es complicado, por lo que nos aproximamos al caso de la teoría de circuitos de "línea corta", siempre que podemos.

Es este comportamiento transitorio que puede causar problemas en sistemas digitales con línea larga. A menos que las líneas estén bien emparejadas, las ondas reflejadas pueden hacer que los receptores de la línea vean múltiples aristas.

Volviendo a su cable de TV. Trataríamos este cable como corto para el suministro principal, y solo usaríamos la teoría de circuitos. Sin embargo, para las fuentes de EMI dentro del conjunto, las fugas de los osciladores y los bordes de la lógica y las fuentes de alimentación, consideraríamos el cable como una línea de transmisión. También trataríamos el par de cables en el cable, tomados juntos, con respecto a tierra, como una línea de transmisión, al evaluar las formas en que la fuga de RF estaba saliendo del conjunto.

Para que una línea de transmisión se comporte como una línea de transmisión, la longitud de onda de la señal (AC) debe ser más pequeña que la longitud de la línea de transmisión. Esto se debe a que la "ola" debe "encajar" dentro de la línea de transmisión.

longitud de onda = velocidad_de_luz / frecuencia

Tomemos, por ejemplo, una señal WiFi de 2.5 GHz, luego la longitud de onda es \ $ 3 * 10 ^ 8 / 2.5 * 10 ^ 9 = 0.12 \ $ = 12 cm

Esto significa que un cable corto (coaxial) diseñado para señales de 2,5 GHz se comportará como una línea de transmisión.

¡Pero para la frecuencia de la red de 50 (o 60) Hz, la longitud de onda es de 6000 (o 5000) km! Eso significa que la forma de pensar de la línea de transmisión no se aplica aquí, los cables son simplemente demasiado cortos (en comparación con la longitud de onda). Esto significa que los cables de alimentación pueden tratarse como una "conexión directa", quizás con alguna resistencia en serie. Pero no hay una "propagación de onda" como en una línea de transmisión, al menos no en el sentido de que debemos considerar y explicar esa propagación de onda.